Bài giảng Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha

§3.3 . Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha 3.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi điện áp 1. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh Để điều chỉnh điện áp ta dùng bộ biến đổi BĐ có tín hiệu điện áp ra thay đổi theo tín hiệu điều khiển như sơ đồ nguyên lý sau 2. Đặc tính cơ trong điều chỉnh Nếu bỏ qua tổng trở nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch ro to - Điện áp nguồn thay đổi ta thu được một họ đặc tính điều chỉnh có độ trượt tới hạn giữ nguyên còn Mth thay đổi tỉ lệ với U2 Như vậy những đường đặc tính điều chỉnh này có đoạn làm việc ngắn , độ cứng thấp và Mth giảm nhanh khi điện áp giảm Để cải thiện đặc tính điều chỉnh và làm giảm mức phát nóng của máy điện người ta nối thêm một điện trở Rcđ vào mạch roto . Khi điện áp đặt vào stato là định mức thì ta thu được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, ta gọi nó là đường đặc tính giới hạn Mthgh , sthgh : mô men và độ trượt tới hạn giới hạn của đặc tính giới hạn Mth , sth : mô men và độ trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên Khi điện áp đặt vào khác định mức , mô men tới hạn Mth.u sẽ thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp còn độ trượt tới hạn sth.u thì không đổi Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s) ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị U cho trước nhờ quan hệ Các đường đặc tính điều chỉnh sẽ có dạng như sau: Nếu tính đến cả tổng trở nguồn Trường hợp đơn giản ta xét bộ biến đổi có điện trở Rb , điện kháng Xb và các thông số này không phụ thuộc vào điện áp U đặt vào động cơ , khi đó ta có Trong đó R1t = R1+Rb ; X1t = X1 +Xb Phương trình đặc tính cơ của đường đặc tính giới hạn sẽ là với 3.3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn f1 1. Khái niệm chung Xuất phát từ biểu thức , ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ của động cơ không đồng bộ . Ta có sơ đồ điều chỉnh như sau : Do máy điện được thiết kế để làm việc với một tần số nhất định nên việc thay đổi tần số sẽ làm ảnh hưởng đến chế độ công tác của máy điện . Nếu điện áp U1 = const thì khi tần số f1 tăng thì từ thông Φ sẽ giảm do đó sẽ dẫn đến hiện tượng giảm mô men trong máy . Để giữ cho mô men không đổi thì ta phải tăng dòng điện. Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện Nếu ta giảm tần số f1 thì từ thông Φ sẽ tăng lên , điều này sẽ làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hoà từ trong máy tăng lên Như vậy đối với phương pháp thay đổi tần số thì khi điều chỉnh tần số thì ta cũng phải thay đổi U1 cho phù hợp nhằm mục đích giữ cho Φ là không đổi 2. Quy luật thay đổi tần số Khi tiến hành điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải về mô men là một hằng số thì chế độ làm việc của máy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như khi làm việc với tải định mức Như vậy khi điều chỉnh ta cần phải luôn thoả mãn điều kiện : Nếu coi từ biểu thức của Mth ta có Trong đó ta đã thay thế Hệ số quá tải về mô men của động cơ được xác định dưa vào Mth và Mc = f (ω) Thay thế Mc = f (ω) bằng phương trình đặc tính cơ dạng gần đùng của máy sản xuất và coi Như vậy ta có và viết biểu thức cho trường hợp làm việc ở các thông số định mức và trong trường hợp U1, f1 bất kỳ và thoả mãn điều kiện = const lúc đó ta có Từ đó ta rút ra quy luật biến đổi của điện áp hoặc Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc tần số và đặc tính phụ tải . Cho x các giá trị khác nhau ta sẽ có những quy luật biến đổi khác nhau của điện áp . Ta có bảng biểu diễn quy luật: Loại tải X Quy luật điều chỉnh Kiểu máy tiện -1 Kiểu máy nâng 0 Ma sát nhớt 1 Quạt gió 2 3. Các đặc tính điều chỉnh Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số không những phụ thuộc vào f1 mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp , nghĩa là phụ thuộc vào đặc tính tải Khi sử dụng quy luật điều chỉnh điện áp gần đúng thì mô men tới hạn của đặc tónh điều chỉnh cũng được xác định gần đúng . Khi tần số và điện áp là định mức thì mô men tới hạn sẽ là So sánh với Mth ta có và thay bằng quy luật biến thiên vừa xác định được ta sẽ có Độ trượt tới hạn được xác định theo biểu thức gần đúng Trong đó sth.đm là độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên. Như vậy khi biết số liệu của đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ của máy sản xuất ta có thể xác định được Mth và sth của động cơ tại bất kỳ tần số nào . Cuối cùng sử dụng phương trình: ta sẽ dựng được đặc tính cơ điều chỉnh . Dưới đây trình bày dạng các đường đặc tính cơ ứng với các phụ tải khác nhau . Trên thực tế họ đặc tính này đều thoả mãn điều kiện - Trong thực tế , do ta bỏ qua giá trị R1 nên ở những miền tần số thấp mô men tới hạn có sự sai khác đáng kể so với giá trị tính toán . Ở những miền tần số cao thì điện kháng từ hoá xμ >>R1 nên ta có thể bỏ qua còn khi tần số điều chỉnh thấp thì giá trị R1 không thể bỏ qua được nên kết quả tính toán sẽ không chính xác . Hệ số quá tải thực tế bị giảm đáng kể trong miền này . - Độ cứng của đặc tính cơ cũng phụ thuộc vào tần số điều chỉnh và đặc tính của mô men cản . Để đơn giản trong tính toán ta coi đoạn làm việc của đặc tính cơ là đường thẳng và có phương trình Khi đó độ cứng của nó sẽ được xác định theo phương trình Thay các giá trị của Mth và sth vào ta có các đặc tính điều chỉnh tương ứng 3.3.3 Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ Trong công nghiệp có 2 loại biến tần chính là biến tần nguồn áp và nguồn dòng . Biến tần nguồn áp được sử dụng rộng rãi hơn . Đối với động cơ không đồng bộ thì động cơ lồng sóc có kết cấu vững chắc , chi phí bảo dưỡng ít hơn nên được ưu tiên sử dụng. I. Chuyển mạch của biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ ba pha Sơ đồ mạch động lực của một biến tần nguồn áp như sau : Hình 1 Một bộ biến tần bao gồm các khối chức năng chinh như : Khối chỉnh lưu , mạch lọc và nghịch lưu độc lập nguồn áp . Nghịch lưu độc lập nguồn áp bao gồm 06 khoá bán dẫn S1 ..S6 điều khiển hoàn toàn và 06 diot nối song song ngược với các khoá bán dẫn Nguyên lý của việc tạo điện áo xoay chiều ba pha đối với một bộ biến tần nguồn áp được chỉ ra trên đồ thị (Hình 2) Đồ thị mô tả qui luật chuyển mạch của các khoá bán dẫn để tạo thành điện áp xoay chiều ba pha , mỗi kháo dẫn trong khoảng một nửa chu kỳ chuyển mạch . Điện áp dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng xung là 2/3 chu kỳ và thoả mãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa . Trong đó k = 1..6c ; c = . Giá trị hiệu dụng của chuỗi điều hoà là Uab = 0,816Ud Thành phần sóng điều hoà bậc 1 có biên độ được xác định như sau : Hình 2 Đồ thị điện áp pha và dòng điện pha có dạng như sau Hình 3 Dạng điện áp và dòng điện này không phù hợp với động cơ không đồng bộ , mặt khác biên độ điện áp là cố định và không điều chỉnh được nên trong các bộ biến tần phải thực hiện các thật toán điều chế Ta có logic chuyển mạch đơn giản như trên hình vẽ Hình 4 Điện áp pha có dạng bậc thanh và dòng điện có dạng không sin việc cải thiện đặc tính ra của biến tần phụ thuộc vào hai yếu tố chính : + Điều chỉnh giá trị điện áp + Tối thiểu hoá các thành phần sóng hài II. Các phương án để thực hiện các yêu cầu này như sau : 1. Phương pháp điều chế độ rộng xung ( PWM) Trong biến tần nguồn áp 3 pha cùng một lúc có ba van mạch lực dẫn dòng , các tín hiệu đặt mang thông về điện áp ba pha gọi là các sóng sin chuẩn được so sánh với sóng mang Urc có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực . Đầu ra của các bộ so sánh điều khiển các van S1 và S4 , điều khiển các van S3 và S6 , điều khiển các van S5 và S2 . Chuyển mạch như trên tạo ra điện áp pha có 6 bước trong một chu kỳ với biên độ của sóng bậc 1 Nếu như thành phần sóng bậc một là U1 thì chỉ số điều chế được xác định như sau : Trên hình 3 – 37 có thể thấy chỉ số điều chỉnh mmax = π/4 = 0,785 đạt được tại điểm khi biên độ của song mang bằng biên độ của sóng sin chuẩn. Hình 3.37 Điều chế PWM kinh điển a) m = mmax b) m = 0,5 Phương pháp điều chế độ rộng xung tồn tại các nhược điểm sau : + Không sử dụng hết khả năng của điện áp một chiều + Đáp ứng của nghịch lưu không đủ nhanh Để giải quyết các vấn đề trên thường sử dụng các thuật toán điều chế biến thể , quá điều chế hoặc điều chế véc tơ điện áp không gian 2. Điều chế véc tơ điện áp không gian Trong sơ đồ biến tần trên nếu ta thêm vào trong mạch thêm hai trạng thái chuyển mạch đặc biệt của biến tần , đó là trạng thái mà chỉ có các khoá bán dẫn lẻ dẫn điện ( S1 , S3 , S5 ) hoặc chỉ có các khoá chẵn dẫn điện ( S2 , S4, S6) thì trong dây quấn động cơ không xuất hiện dòng điện và do đó điện áp trên các pha cũng bằng không Hệ thống điện áp đặt lệch pha Ua(t) , Ub(t) , Uc (t) lệch nhau một phần ba chu kỳ , dây quấn pha đặt lệch nhau 1/3 vòng tròn tạo thành điện áp không gian , về mặt hình thức tồn tại một véc tơ điện áp không gian với định nghĩa như sau : Trong đó độ dài với Uam là biên độ điện áp pha .Căn cứ vào luật chuyển mạch và sơ đồ nối dây tương ứng ta có thể thấy rằng điện áp không gian của hệ biến tần - động cơ tại một thời điểm , sẽ chỉ lây các giá trị gián đoạn là một trong số tám véc tơ : Vị trí của các véc tơ được chỉ ra trên hình sao điện áp ( Hình 5 ) Để thoả mãn các luật điều khiển khác nhau thì véc tơ điện áp Us_phải có biên độ và vị trí pha bất kỳ trong vòng tròn giới hạn , tức là phải lấy các giá trị liên tục trong không gian . kỹ thuật điều chế véc tơ điện áp không gian là nó không sử dụng các bộ điều chế riêng rẽ mà véc tơ điện áp mong muốn được hònh thành bởi tổ hợp chuyển mạch phức tạp Véc tơ mong muốn có thể được phân tich làm hai véc tơ thành phần , cách nhau một phần 6 vòng tròn . Trong đó , là các véc tơ , A,B là các hệ số tỷ lệ chính là khoảng thời gian cần thiết để tồn tại các véc tơ hoặc . Véc tơ điện áp mong muốn được lây mẫu với tần số cố định 2fs , giá trị của nó được dùng để giải phương trình Phương trình này chỉ có ý nghĩa hình thức vì , không cùng tồn tại , tuy nhiên khi tần số lấy mẫu đủ cao thì có thể coi rằng dòng điện là liên tục và có giá trị trung bình tương ứng với điện áp cần có . Nghiệm của phương trình này là khoảng thời gian tồn tại ta của , tb của và t0 của hoặc Trong đó góc α là góc pha giữa véc tơ mong muốn và véc tơ . Đây là kỹ thuật lấy trung bình của véc tơ trong thời gian bán chu kỳ 1/2fs để tạo nên véc tơ mong muốn . Trong vùng 600 đầu tiên của mặt phẳng phức thì , ở vùng thứ 2 Véc tơ “ không” sẽ là hoặc sao cho đảm bảo chuyển mạch tối ưu giữa các véc tơ tích cực và véc tơ không . 3.3.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi số đôi cực I. Nguyên lý điều chỉnh - Khi thay đổi số đôi cực của máy điện KĐB , tốc độ từ trường quay thay đổi do đó tốc độ của roto cũng thay đổi theo . Quan hệ đó được thể hiện theo biểu thức : f1 : tần số của lưới điện p : số đôi cực - Để có thể thay đổi được số đôi cực của động cơ thì máy điện phải được chế tạo đặc biệt . Những máy điện kiểu đó gọi là máy điện đa tốc . Số đôi cực của máy có thể được thay đổi bằng 2 cách : + Dùng 2 tổ dây quấn stato riêng biệt , mỗi tổ có số đôi cực riêng + Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm 2 đoạn , thay đổi cách nối dây giữa 2 đoạn đó ta sẽ thay đổi được số đôi cực - Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ dây quấn stato . Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đoi cực theo cách hỗn hợp . Những loại động cơ kiểu này thường là loại động cơ lồng sóc . - Ta khảo sát phương pháp thay đổi số đôi cực bằng cách thay đổi cách đấu dây ở stato : Giả sử ta có một tổ đấu dây ở stato gồm 2 đoạn , mỗi đoạn là một phần tử dây quấn , nếu ta đấu nối tiếp hai đoạn đó thuận cực nhau thì số đoi cực sẽ là p = 2 , còn nếu ta đấu nối tiếp ngược cực hoặc song song ngược thì p = 1 . Như vậy bằng cách đổi nối đơn giản ta đã điều chỉnh được tôc độ động cơ từ tốc độ ω0 II. Cách đổi nối trên thực tế Trong thực tế việc đổi nối cách cuộn dây được thực hiện theo 2 cách : Hình sao → sao kép ( Y → YY ) và tam giác → sao kép (Δ → YY ) Đổi nối hình tam giác → sao kép (Δ → YY ) Sơ đồ đổi nối có dạng như sau Khi nối theo hình Δ các cuộn dây được nối nối tiếp thuận với nhau nên ta giả thiết khi đó p = 2 tương ứng với tốc độ đồng bộ là ω0. Khi đổi nối thành hình YY các đoạn dây nối nối tiếp ngược nên p = 1 và tốc độ đồng bộ là Để dựng các đặc tính điều chỉnh cần phải xác định các trị số Mth , sth và ω0 với các cách đấu dây . - Khi nối hình Δ do hai cuộn dây mắc nối tiếp nhau nên ta có R1 = 2r1 ; X1 = 2x1 và R2 = 2r2 ; X2 = 2x2 ; Xnm = 2xnm Điện áp trên dây quấn mỗi pha là . Do đó - Nếu đổi thành đấu YY ta có : R1YY = r1/2 ; X1YY = x1/2 và R2YY = r2/2 ; X2YY = x2/2 ; XnmYY = xnm/2 Điện áp trên dây quấn mỗi pha là . Do đó So sánh ta thấy Kết luận : Khi đổi nối Δ → YY tốc độ không tải lý tưởng tăng lên gấp đôi , độ trượt tới hạn giữ nguyên không đổi còn mô men tới hạn giảm đi 1/3 . Đặc tính cơ có dạng như sau : - Để xác định phụ tải cho phép khi điều chỉnh tốc độ , xuất phát từ giá trị công suất . Từ biểu thức công suất ta có : Do đó ta có Thực tế có thể coi vì hệ số công suất và hiệu suất khi nối Δ cao hơn khi nối YY . Đó là khi nối YY điện áp đặt lên từng cuộn dây quấn lớn hơn khi nối Δ nên dòng từ hoá tăng một cách vô ích : - Mô men cản cho phép giữa 2 cách nối - Hệ số quá tải về mô men 2. Đổi nối sao sang sao kép ( Y → YY ) Sơ đồ đổi nối như sau - Khi nối theo hình Y các cuộn dây được nối nối tiếp thuận với nhau nên ta giả thiết khi đó p = 2 tương ứng với tốc độ đồng bộ là ω0 và do hai cuộn dây mắc nối tiếp nhau nên ta có R1 = 2r1 ; X1 = 2x1 và R2 = 2r2 ; X2 = 2x2 ; Xnm = 2xnm So sánh ta nhận thấy Kết luận : Khi tiến hành đổi nối Y sang YY tốc độ không tải tăng gấp đôi , mô men tới hạn cũng tăng gấp đôi , độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị của nó . - Công suất cản cho phép khi đổi nối : - Mô men cản cho phép - Hệ số quá tải về mô men Vậy khi chuyển đổi khả năng quá tải của động cơ tăng lên 2 lần . Đặc tính cơ của động cơ như sau : III. Các chỉ tiêu chất lượng Ưu điểm cử phương pháp là thiết bị đơn giản , giá thành hạ , các đặc tính cơ đều cứng và khả năng điều chỉnh triệt để . Nhờ có các đặc tính cơ cứng nên độ chính xác duy trì tốc độ cao , tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể . Nhược điểm của phương pháp là độ tinh chỉnh kém , dải điều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn Câu hỏi ôn tập: Thế nào là điều chỉnh tốc độ trong hệ truyền động điện ? Hãy nêu và phân tích các chỉ tiêu chất lượng dùng để đánh giá một hệ truyền động điện ? Trình bày nguyên tắc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ? Trình bày nguyên tắc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện điện áp đặt vào mạch phần ứng ? Trình bày nguyên tắc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi từ thông trong động cơ ? Trình bày hệ thống máy phát - động cơ một chiều thông dụng ? Trình bày hệ truyền động điện Tiristor - Động cơ một chiều ? Trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha khi thay đổi điện áp đặt vào stator, thay đổi điện trở phụ rotor, thay đổi số đôi cực ? Khi động cơ không đồng bộ ba pha làm việc với điện áp và tần số định mức và không định mức sẽ xảy ra hiện tượng gì ? Trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách thay đổi tần số nạp cho động cơ theo quy luật giữ hệ số quá tải không đổi ? Trình bày hệ truyền động điện bộ biến tần nguồn áp - động cơ không đồng bộ ba pha ? Trình bày hệ truyền động điện bộ biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha ?